想做好电抗器？你不得不提高的认知

知识点：阀电抗器

概述

磁控电抗器（magnetically controlled reactors)全称是磁阀式可控电抗器，简称MCR，是一种容量可调的并联电抗器，主要用于电力系统的无功补偿。

由来

与可控饱和电抗器一样，磁阀式可控电抗器也是借助控制回路直流控制电流的激磁改变铁芯的饱和度(即工作点)，从而达到平滑调节无功输出的目的。可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的。“磁放大器”的报告最早由美国的E.F W.亚历山德逊在1916年提出的，此后随着高磁感应强度及低损耗的晶粒取向钢带和高磁导率，高矩形系数的坡莫合金材料的出现，把磁放大器以及饱和电抗器的理论及应用提高到一个新水平。电力工程师把磁放大器的工作原理引入了电力系统，1955年英国通用电气公司(GEC)制造成功了世界上第一台可控电抗器，其额定容量为100兆伏安，工作电压为6.622千伏。它的主绕组为2组，均为“之”字形连接，对应相的两个基波电流在相位上相差30度，并且由于有三角形绕组，3倍频及7倍频以下的奇次谐波自我抵消而不注入电网。据当时的测量，电流所含谐波不超过1.5%的额定电流，直流绕组损耗不超过0.25%的电抗器额定容量，主绕组损耗不超过0.8%。该可控电抗器有一个很大的缺点，即控制直流的改变会导致结成三角形线圈内部电流的变化，过渡过程时间取决于三角形线圈的时间常数，其值一般很大，故调节时间很慢。另一个缺点就是较大的有效材料消耗((3Kg/KVA)、相对材料消耗及有功损耗(1%)，而一般不可控的铁芯电抗器的有效材料消耗及有功损耗分别为0.8Kg/KVA和0.5%。主要由于以上缺点，使可控电抗器的推广应用受到了限制。随着电力工业的高速发展，超高压、特高压电网相继投入运行，对供电质量及可靠性的要求越来越高。由此产生了一系列新问题:超高压大电网的形成及负荷变化加剧，要求大量快速响应的可调无功功率源以调整电压，维持系统无功潮流平衡，减少损耗，提高供电可靠性。70年代发展起来的可控硅控制电抗器(TCR) X31以及近几年出现的摒弃了大容量电感、电容，只用电力电子器件应用现代控制理论的新型静止无功发生器(ASVG)等FACTS控制器正是顺应这一要求而开发研制的。然而这些具有技术先进性的无功补偿设备由于其高昂的造价、复杂的控制决定了它们在电力系统中难以得到广泛的应用。于是电力专家们转而寻求更为经济和可靠的可调无功功率源。

1986年，原苏联学者首先提出了可控电抗器磁阀的概念，从而使可控电抗器的发展有了突破性进展。磁阀式可控电抗器的铁芯截面积具有减小的一段，在整个容量调节范围内(从最小到额定容量)，只有小面积一段磁路饱和，其余段均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段磁路饱和程度来改变电抗器的容量，这就是“磁阀式”名称的由来。磁阀式可控电抗器可用于直至1150KV的任何电压等级的电网作为连续可调的无功电源，可直接接于线路侧(开关在内)，同时发挥同步调相机和并联电抗器的作用。

结构和工作原理

图1（a）为磁阀式可控电抗器的结构原理图，图1(b)为相应的电路图磁阀式可控电抗器的主铁芯分裂为两半，面积各为Ab，长度为l一l_t，，不同的是每一半铁芯都具有长度为lt的小截面段，其面积为A_bl ( A_bl < A_b)。在电抗器的整个工作范围内，只有l_t，一段磁路饱和，其余段均处于未饱和状态。两个半铁芯柱上分别对称地绕有两个匝数为N/2的绕组(半铁芯柱上的线圈总匝数为N=N₁+N₂);每一半铁芯上的上下两绕组各有一抽头比为δ=N₂|N的抽头，它们之间接有可控硅T₁(T₂);不同铁芯的上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源，二极管D则横跨在交叉端点。

 

图1磁阀式可控电抗器原理图

控制特性

在额定正弦电源电压下，磁阀式可控电抗器电流幅值(基波)随触发控制角α变化的关系为控制特性。图2为磁阀式可控电抗器的控制特性曲线，显然，其电流幅值与触发导通角“具有明显的非线性，呈近似余弦关系。

 

图2磁阀式可控电抗器控制特性

作用

磁控电抗器用作无功补偿可以平滑的调节输出的无功，比一般的无功补偿设备具有更多的作用。

对电网

（1） 提高功率因子，降低网损，可以使功率因子达到0.9-0.99的要求

（2） 阻尼系统振荡，提高阻尼极限，提高输电线传输能力

（3） 提高电网的电压稳定能力

对用户

（1） 稳定端点电压（防止电压过高或过低），提高变压器与输电线以及其他电器设备的寿命。

（2） 消除谐波污染，提高系统安全系数，延长设备寿命，降低系统损耗

（3） 降低异步电机启动、电弧炉运行等本地电网冲击，提高系统安全性，对于弱电网尤其如此。

（4） 消除电压闪变，专门针对闪变设计的算法，将电压闪变降至最低水平，提高用户电能质量。

（5） 扩容。在很多场合安装动态无功补偿装置，可以实现1.2-1.5倍的扩容，大幅节约扩容开支。

（6） 提高功率因子。可以使功率因子达到0.9-0.99的要求，降低网损，降低无功损耗，节省电费开支，适 用于电力系统庞大网损非常严重的用户。

应用前景

借助直流控制的铁磁可控电抗器制造工艺简单、成本低廉,对于提高电网的输电能力,调整电网电压,补偿无功功率,以及限制过电压都具有非常大的应用潜力。

在电网中作调相调压设备

可控电抗器由于可做成任何电压等级并入电网,因此具有显著的技术经济性。目前我国缺少的调相容量相当大,今后在更多的地区兴建坑口电站和大型水电站以后,为了改善系统的稳定性能和减少输电损耗,有功电源侧一般很少输出无功,使得受端所需无功必须自行补偿,所以调相容量将更为缺乏。因此可控电抗器将为我国今后解决这个矛盾提供一个很好的途径。

在远距离输电系统中的应用

1.抑制系统过电压

远距离输电线在轻载时,线路末端会产生电压升高现象,假如送端系统较弱,则送端电压也会有所升高。由于特高压系统的绝缘水平只有很少裕度,所以此种稳态工频过电爪就成了安全运行的严重威胁。以往是靠装设固定联接的并联电抗器来吸收过剩无功,以抑制工频过电压。可是固接的大容量并联电抗器带来了以下不良影响增大等效波阻抗,减少自然功率值和线路传输能力在重载输电时,仍需给电抗器提供大量无功,这就要求受端系统增大补偿无功和相应投资因电抗器有持续的有功损耗而增大输电成本。磁阀式可控电抗器能直接接在特高压线路侧,同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作用。

讨论了可控电抗器的大幅度限压特性,计算证明可控电抗器的限压能力受控制电压减少的影响甚微,其在全部容量调节范围内均具有大幅度的限压能力。通常人们希望可控电抗器注入系统的谐波量越小越好,而可控电抗器所产生的谐波与所选定的电磁特性参数密切相关。另一方面,可控电抗器暂态功率越大,限压效果应越好,但暂态功率越大的可控电抗器所产生的谐波亦大,所以应进一步分析可控电抗器谐波与限压特性的关系。

磁阀式可控电抗器可以快速、准确、平滑、合理地调节系统的无功功率,满足超高压、长距离输电和冲击性负荷供电要求。通过胆仿真,证明其具有良好的伏安特性和控制特性。

磁阀式可控电抗器在电气化铁路无功补偿应用方面具有可行性和优越性,并利用单片机技术开发出了电抗器控制系统中最关键的控制装置。提出了一种带磁分路的变压器式可控电抗器的静止动态无功补偿器的新模型。在该可控电抗器次级侧设置若干组绕组,每组绕组用反并联晶闸管控制其导通程度,可连续调节可控电抗器的感性无功功率,配合滤波兼补偿的滤波支路,从而实现无功功率的动态补偿。该方法能使可控电抗器产生的谐波电流小,次级侧的电压低,有利于应用电力电子器件的工程实施等。实验表明,设计出的可控电抗器具有良好的动态无功功率补偿性能。

2.提高系统稳定性,增大输电能力

可控电抗器可用于保持母线电压。由于它有快速的动态响应能力（调节时间小于0.3秒）,可以在系统受到某种大的扰动发生短路事故、切机、拉开线路、投入重载线路等情况下,自动保持甚至提高端点电压,这就大大有利于系统的稳定运行。

3.抑制系统功率振荡

在系统间的联络线上,当地区系统出现短路、切机、拉开重要线路等重大扰动时,往往产生按系统自然频率波动的功率振荡因为大系统的阻尼相当弱,所以一旦出现振荡后便难以抑制。为了避免此种危害,一般被迫减少联络线的传输功率。磁阀式可控电抗器由于能快速补偿无功,稳定电压,因此它是抑制系统功率振荡的有效设备。

在直流输电中的应用

高压直流输电往往需要解决如下几个重要问题：1.补偿无功（整流站及送变站各需提供直流输电功率的50%-60%的补偿无功）2.调整电压3.抑制过电压,降低绝缘要求。磁阀式可控电抗器配合电容器可解决上述问题。

在有冲击负荷的电力用户和变电站的应用

1.抑制电压闪变

电弧炉,大型轧钢机,加速器,电气机车等都属于大功率无功冲击负荷。其特点是变动周期短,变化速度快。通常用具有快速调节能力的静止补偿器进行补偿,抑制电压闪变,改善电压质量。由于无功冲击负荷的补偿要求快速的补偿装置,常规的可控电抗器达不到要求。研究表明,磁阀式可控电抗器的调节时间可以缩短到一个工频周期内,从而为可控电抗器在抑制电压闪变方面应用打下良好的基础。

2.补偿用户无功,提高功率因数

磁阀式可控电抗器配合电容器组可以大大提高用电企业的功率因数。

3.平衡负载

磁阀式可控电抗器可用来消除负荷的不平衡运行给电网带来的影响,从而使不平衡负荷处的供电电压平衡化。

在谐振接地配电网中的应用

磁阀式可控电抗器作为消弧线圈用于电容电流自动补偿,可以解决补偿电网正常运行时的谐振过电压和单相接地后最佳补偿之间的矛盾,即不需任何附加设备如为增大电网不对称度增加的偏移电容器,为限制中性点位移增设的串连电阻等,使供电可靠性大大增强。

提出将磁阀式可控电抗器用作消弧线圈,提出了单相接地电容电流实时检测方法。由于电抗器本身的优良特性,该补偿方法较好地解决了补偿电网运行时谐振过电压与单相接地后最佳补偿之间的矛盾。用额定电压为磁阀式可控电抗器模型及控制装置进行试验,试验结果表明控制灵活可靠,可自动测量电容参数,不会发生常规消弧线圈在正常运行和异常运行情况下的串联谐振现象。

相关推荐：

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范